電容式觸摸按鍵電磁兼容可靠性設計與應用

魏宇，周月飛，潘亮，王艷飛，丁蒙蒙

（空調設備及系統運行節能國家重點實驗室，珠海 519070）

引言

電容式觸摸按鍵是目前冰箱上主流顯示板所應用的觸摸按鍵，具有反應靈敏、成本較低等優點。該按鍵的應用給消費者帶來了良好的用戶體驗，同時也對冰箱顯示板的EMC設計帶來不小的挑戰。

由于電容式觸摸按鍵具有可直接集成在PCB中、靈活的外形尺寸以及額外成本極低等優點，被廣泛應用于冰箱顯示板中。雖然電容式顯示板結構較為簡單，但其也是冰箱的電磁兼容試驗的重點考察對象之一，因此為其電磁兼容設計帶來不小的挑戰。一旦冰箱顯示板注入電流試驗不滿足國標，需要及時整改。

龍玲麗等[1]對電容式顯示板進行原理設計進行了詳細分析；周書宇等[2]從顯示板結構差異方面分析，可采用（50～70）%填充率的底層鋪銅，并在頂層覆蓋 0.13～0.6 mm 厚度的絕緣層的方法來提高顯示板可靠性。羅福根[3]研究了軟體設定的觸發門檻電容值對電容式按鍵可靠性的影響。前人對電容式顯示板的研究很多，但較少涉及到冰箱顯示板電磁兼容可靠性的研究。本文探討了冰箱顯示板電磁兼容可靠性的影響因素，為冰箱顯示板的電磁兼容可靠性設計提供了一定思路，有助于冰箱顯示板電磁兼容設計與整改工作的開展。

1 電容式顯示板（圖1）的理論分析

圖1 電容式顯示板

按鍵傳感器自身存在一個基電容C1。當人體觸摸顯示板表面時，由于人體能夠導電，其與大地連接，與大地形成接地的導電層。傳感器墊片與人體及大地形成的導電層是平行關系，構成一個平行板電容器，形成寄生電容ΔC。傳感器總電容C=C1+ΔC。如果沒有觸摸，C=C1，控制器計算出電路中單位時間內固定的方波轉換次數，當手指觸摸按鍵，ΔC發生改變，傳感器總電容C隨之變化。

式中：

t—充放電時間；

R—電阻值；

C—電容值；

V1—充放電終止電壓；

V2—充放電起始電壓；

Vt—充放電電容電壓。

由公式可以得出，電容的變化具體體現到電壓的變化周期上，通過對電壓的采樣分析即可以得到電容的變化。

同時可得出理想狀態下影響按鍵性能、可靠性的具體參數，即充放電時間t、電阻值R、電容值C、充放電終止電壓V1、充放電起始電壓V2和充放電電容電壓Vt。

2 注入電流試驗

在冰箱顯示板的電磁兼容試驗中，注入電流試驗直接考察顯示板的抗干擾能力。因此在本文中用注入電流試驗來模擬外界復雜電磁環境對冰箱顯示板的干擾。注入電流，實際上是射頻場感應的傳導騷擾抗擾度。處在同一個電磁環境下的電子設備，都有可能向外發射電磁波形成電磁場。該電磁場可能在與被騷擾設備連接的電纜上因感應而產生騷擾電壓。感應產生的騷擾電壓會進入到設備內部，干擾設備內部電路，導致設備出現異常。

感應是電磁騷擾的傳播方式之一，是空間中的電磁騷擾在被騷擾設備連接的電纜上因感應而產生干擾電壓。被騷擾設備的電纜，如電源線或連接線的長度通常可能是幾個波長，可能會因此成為被動天線。干擾以共模電壓的方式施加到冰箱的電源端口，在內部電路中形成共模電流，最終干擾到內部電路的正常工作。在注入電流試驗中，干擾主要通過電源線傳導到主板，再傳導到顯示板上，主要干擾到顯示板的正常工作，存在誤觸發或卡頓等異常。

3 顯示板電磁兼容可靠性理論影響因素

影響冰箱電容按鍵可靠性與靈敏度的因素主要有電磁干擾、電路設計布局、元器件材料及工藝等。其中元器件材料及工藝受限于成本及其他現實原因影響，很難有較大改變。在設計之初應考慮如何提高顯示板的電磁兼容可靠性，包括增加顯示板自身的抗干擾能力或吸收屏蔽外界干擾的能力。

1）基電容選型

基于上述理論分析，傳感器基電容是顯示板靈敏度的重要影響因素。在電磁兼容設計時我們需要考慮基電容選型。基電容增大，即相同寄生電容下，對T的影響變小，則靈敏度降低，存在無法識別正常的按鍵風險。反之基電容減小，變大，ΔC對T影響較大，靈敏度升高，抗噪音能力降低，極易受到外界干擾。電磁干擾會使ΔC改變，出現干擾觸發，存在顯示板異常點亮或跳鍵等異常。因此靈敏度過高或過低都存在一定的風險。在設計時需考慮在保證靈敏度的前提下提高顯示板的電磁兼容可靠性。

2）顯示板電路布局

合理通過顯示板的電路布局可提升抗噪能力。由于共模電流流過地線，會造成輻射耦合。因此按鍵到觸摸芯片之間信號線的地線屏蔽也需考慮。適當的鋪銅面積可有效屏蔽干擾信號，增加顯示板抗噪聲能力。在多層板布線時信號線需要盡可能短，且有交叉需要時保持相互垂直。若空間結構允許，可在干擾信號流經的通訊線或地線上增加磁環，讓干擾以熱能的形式消耗掉。不同型號的磁環對應不同頻率的干擾信號，因此在設計整改前應考慮到干擾信號的頻率，選擇合適規格的磁環。

3）主控電路設計

顯示板作為冰箱的一部分，也受到冰箱整體結構的影響，若主控部分電路設計不合理，沒有完全濾除干擾，使得干擾通過信號線傳至顯示板，干擾通過空間耦合到敏感元器件上，會導致顯示板性能不滿足使用和試驗要求。可在主控電路上布局適當的濾波電路，用以濾除內部電源模塊以及外界從電源端口疊加的干擾。也可在5 V對地的電路串聯磁珠，效果類似于濾波電容。磁珠或磁環用于在關鍵零部件下對于磁場的屏蔽補充，其原理為提高回路阻抗，將干擾信號轉化成熱能的形式消耗掉，從而抑制干擾信號的傳遞。

4 試驗樣品和影響因素分析

4.1 基電容的影響

以風冷冰箱A為實驗樣本，實驗室選擇EMS試驗室，測試儀器采用：試驗信號發生器、耦合去耦裝置、衰減器等。

測試方法嚴格按照國標GB/T 17626.6-2017《電磁兼容 試驗和測量技術 射頻場感應傳導騷擾抗擾度試驗》[4]執行，環境溫度為25 ℃，冰箱箱內溫度穩定以后進行注入電流測試。試驗頻率范圍為150 KHz～230 MHz。改變顯示板上基電容大小，試驗結果如表1。

表1 試驗結果

根據上述實驗結果分析，針對冰箱顯示板注入電流試驗，基電容過小，按鍵顯示板靈敏度高，但抗噪聲能力差，會出現隔空觸發等問題。基電容過大，按鍵靈敏度偏小，按鍵有卡頓感，用戶使用感較差。基電容的選取需要達到靈敏度與抗造噪能力的平衡。選取合適參數的基電容能提高顯示板的電磁兼容可靠性。從經濟方面考慮，更改基電容不改變原有電路布局及整體結構，僅更改基電容大小，不增加額外經濟成本。

4.2 磁環的影響

以風冷冰箱A為實驗樣本，試驗器材為顯示面板、電源、示波器和試驗信號發生器、磁環。顯示面板無塑料件暴露按鍵電路信號線無遮擋。信號為3 V、500 mA直流電。

將實驗信號發生器鏈接的信號線平行安置在顯示面板信號線1 mm范圍內，示波器正極連接在顯示面板按鍵電路的信號線前端，示波器設置參數，開啟信號發生器，觀察示波器波形變化（圖2），然后調整示波器參數。重復實驗直到可以看到完整波形變化。隨意連續調整直流電電壓，觀察波形變化（圖3）。顯示板通訊線上增加磁環后，觀察波形變化（圖4）。

圖2 無干擾時波形

圖3 干擾后波形

圖4 加磁環后波形

由上述試驗可知當數電電路、模擬電路、功率電路與信號電路距離過近時容易對信號電路產生干擾，使得信噪比上升，設備可靠性下降。增加磁環后可有效吸收干擾信號，增加顯示板電磁兼容可靠性。

如圖5所示，電流元產生的場的表達式為：

圖5 電偶極子坐標系

式中c=3×108m/s

f=1.5×105～2.3×108Hz

故 2×103m＜λ＜1.30 m

5 優化方案

針對上述試驗分析，選取適當的基電容以及吸收或屏蔽干擾信號可提升冰箱顯示板的可靠性。合適的基電容可平衡好按鍵的靈敏度與抗干擾能力，磁環或磁珠可將干擾信號轉化為熱能的形式消耗掉，提升顯示板的抗干擾能力。

在注入電流試驗中，經常會出現冰箱顯示板亮屏跳鍵的異常。以下是實際案例。

以風冷冰箱A為例，試驗在（8.4～12.9）MHz出現顯示板異常點亮和跳鍵的異常現象，不滿足注入電流試驗A類判定。試驗結束后拆開顯示板，發現門體地線靠近在顯示板旁邊，靠近顯示板間室選擇鍵和溫度調節鍵（圖6）。分別斷開地線及相關連接線，發現斷開地線時，滿足測試要求。基于上述現象分析，此案例中外源性干擾疊加到樣品的電源端口，注入到樣品內部電路，共模電流流經地線時，產生交變電磁場。由于顯示板感應按鍵離地線距離很小，處于近場區，受到的干擾較大，最終表現為在某一頻段顯示板異常點亮與跳鍵，無法滿足試驗要求。在本案例中，顯示板抗干擾能力較差。基于上述試驗驗證，適當增加基電容值可有效提升顯示板的抗干擾能力。本次整改采取了更改基電容的方式。將基電容由7 pF改為8.2 pF，試驗驗證合格。

圖6 顯示板

不更改基電容，設計人員采用將門體接地線增加磁環，并繞制三圈的方式整改。最終試驗過程中無異常，整改合格。磁環在本案例中將干擾以熱能的形式消耗掉，在干擾到達敏感電路之前將干擾吸收。在整改過程中要注意磁環的規格和位置，對應不同失效點的頻率，可選擇相應的磁環。磁環繞制匝數不易過多，若匝數過多，寄生電容變大，對高頻干擾的抑制效果會變差。磁環使用方便，是電磁兼容整改中常用的方法。

6 結論

本文通過分析冰箱顯示板在注入電流試驗中的影響因素，討論了電容式顯示板設計要點及常用整改方法。

1）應選取適當的基電容，基電容過大或過小都會影響到顯示板的電磁兼容可靠性。基電容過小，按鍵雖然靈敏，但是抗干擾能力差，容易引起誤觸或隔空觸發等問題。基電容過大，按鍵不靈敏，影響用戶日常體驗感。

2）選取合適型號的磁環。磁環的使用可增加顯示板一定的抗干擾能力，價格低廉，效果顯著。在實際使用過程中要注意磁環的放置位置與繞制匝數。